Un team internazionale di fisici ha creato un piccolo sensore di movimento basato su un interferometro che potrebbe essere utilizzato per aumentare le prestazioni dei rilevatori di onde gravitazionali. Il dispositivo delle dimensioni di un centimetro può misurare lo spostamento delle masse di prova con una precisione inferiore al picometro a basse frequenze. I ricercatori ritengono che le loro innovazioni tecniche potrebbero portare a nuove opportunità nel rilevamento delle onde gravitazionali, consentendo agli astronomi di osservare eventi che finora sono rimasti oscurati dal rumore. Potrebbe essere utilizzato anche in altri campi, tra cui la sismologia e la metrologia.
Gli osservatori LIGO e Virgo sono interferometri delle dimensioni di un chilometro che rilevano le onde gravitazionali monitorando le posizioni di grandi specchi, che subiscono spostamenti eccezionalmente piccoli quando un'onda gravitazionale passa attraverso la Terra. Finora hanno raccolto dozzine di segnali di onde gravitazionali, in gran parte originati dalla fusione di coppie di buchi neri di massa stellare. Sulla base di questo successo iniziale, gli astronomi sperano ora di rilevare le onde gravitazionali a frequenza più bassa generate dalle fusioni di buchi neri di massa intermedia molto più grandi, che sono centinaia, o addirittura migliaia, di volte la massa del Sole.
Sfortunatamente, il rumore sismico e di altro tipo attualmente impedisce a LIGO e Virgo di raggiungere la sensibilità richiesta per misurare questi segnali a bassa frequenza. L'effetto di questo rumore può essere controllato in una certa misura monitorando e smorzando i movimenti che provoca negli specchi e in altri componenti degli osservatori.
Componenti commerciali
Adesso, Jiri Smetana dell'Università di Birmingham e colleghi hanno utilizzato componenti ottici disponibili in commercio per creare un rilevatore di spostamento che secondo loro è adatto a questi sistemi di soppressione del rumore.
Il sensore comprende due interferometri Michelson guidati da un singolo laser. Ogni interferometro comprende una testa di rilevamento e uno specchio. Una delle teste di rilevamento fa parte di un circuito di feedback che stabilizza la frequenza del laser, aumentando così le prestazioni del sistema.
La compressione quantistica aumenta le prestazioni dei rilevatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo
Il team ha utilizzato una tecnica chiamata modulazione di frequenza profonda per calcolare lo spostamento degli specchi dalle frange misurate dell'interferometro. Questa tecnica consente di rilevare piccoli movimenti su un'ampia gamma di frequenze. In effetti, il sistema aveva una sensibilità di 0.3 pm/√Hz a una frequenza di 1 Hz ed è 300 volte migliore di un tipo di sensore attualmente utilizzato in LIGO.
Il sensore ha una dimensione di soli pochi centimetri, il che lo rende un candidato adatto per futuri aggiornamenti ai rilevatori di onde gravitazionali esistenti – aggiornamenti che potrebbero essere implementati con un impatto minimo sull’infrastruttura esistente.
Con questi miglioramenti in atto, i ricercatori suggeriscono che gli astronomi potrebbero essere in grado di rilevare per la prima volta fusioni tra buchi neri di massa intermedia. Avere la capacità di misurare segnali a frequenza più bassa sarebbe utile anche per l’astronomia multimessenger, consentendo di rilevare i segnali con maggiore anticipo rispetto agli eventi di fusione. Il sensore potrebbe trovare impiego anche in altri strumenti che rilevano piccoli spostamenti, come bilance di torsione e sismometri.
La ricerca è descritta in Revisione fisica applicata.
